专利名称：嵌入式非线性脉冲协同控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及智能控制技术领域，具体指一种具有动态过程和稳态过程相对独立调节的嵌入式非线性脉冲协同控制器。
背景技术：
随着现代工业社会的发展，在工业控制过程中出现了越来越多的复杂工艺对象， 同时对产品质量的要求也越来越高，这导致传统的控制规律难以适应这种控制的需求。为了提高控制效果，从上个世纪70年代开始，人们从工艺操作经验或生物控制规律出发，研究发展出现了专家控制系统、神经网络控制系统和模糊控制系统以及预测控制等智能控制算法。这些控制算法为提高复杂工艺对象的控制效果起了很大作用。但是这些控制算法或规律都比较复杂，实际实现及应用难度较大，影响在实际工程中应用推广。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺失和不足，提供一种嵌入式非线性脉冲协同控制器(简称ENICC)，包括AD转换电路、DA转换电路、中央处理器CPU、程序存储器、数据存储器和外围设备接口电路等。其基于“专家快速调节控制思想”设计，动态过程和稳态过程相对独立调节。其特点是，嵌入式非线性脉冲协同控制器的控制算法模块包括比较环节、辨识控制单元、动态控制单元、稳态控制单元和协同控制单元。其中，比较环节主要起产生控制偏差的作用；辨识控制单元主要通过阶跃响应，辨识被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间等模型参数；动态控制单元利用快速调节脉冲输出，减少控制系统的上升时间和降低控制系统的超调量，使工艺变量快速接近稳态值，主要起快速消除控制偏差的作用；稳态控制单元依据控制器将来的稳态输出值，结合比例和积分控制作用，快速消除控制偏差，提高控制精度。在协同控制单元的协调下，辨识控制单元、动态控制单元和稳态控制单元协同工作，并能够迅速、稳定地消除控制偏差。关于本发明基于的“专家快速调节控制思想”概述在实际工艺操作过程中，对于有经验的操作人员而言，他们总是能够以较快的速度、较小的超调量和较短的调节时间，使控制系统快速达到稳定状态。例如，在调节某容器液位过程中，如果液位低于目标值比较大，操作人员一般首先迅速把进料阀位开到接近最大，待液位快要接近目标值的时候，再迅速减小阀位，从而使工艺变量能够以快速、无超调地达到稳定值。另外，多数优化控制规律具有类似的脉冲输出调节规律。在某种理想状态下，这种调节规律能够使工艺变量以较快的上升时间、无或较小的超调量和较小的调节时间，快速达到稳定状态。关于本发明基于的“专家快速调节控制思想”的嵌入式非线性脉冲协同控制器的
工作原理本发明的一种嵌入式非线性脉冲协同控制器，基于专家快速调节控制思想设计， 包括比较环节、辨识控制单元、动态控制单元、稳态控制单元和协同控制单元，能够迅速、稳定地消除控制偏差。其中，比较环节主要起产生控制偏差的作用；辨识控制单元主要通过阶跃响应，辨识被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间等模型参数；动态控制单元主要承担动态变化过程的控制调节任务，利用快速调节脉冲输出，减少控制系统的上升时间和降低控制系统的超调量，并使工艺变量快速接近稳态值；稳态控制单元主要承担消除稳态变化过程的控制偏差，依据控制器将来的稳态输出值，结合比例和积分控制作用，快速消除控制偏差，提高控制精度；协同控制单元则是根据控制系统的运行状态，负责协调辨识控制单元、动态控制单元和稳态控制单元的工作状态，形成最终控制输出信号。构成本发明嵌入式非线性脉冲协同控制器的控制算法模块，包括比较环节、辨识控制单元、动态控制单元、稳态控制单元和协同控制单元等五部分。其中，比较环节主要起产生控制偏差的作用；辨识控制单元辨识被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间等模型参数；动态控制单元主要承担动态变化过程的控制调节任务，减少控制系统的上升时间和降低控制系统的超调量，并使工艺变量快速接近稳态值；稳态控制单元主要承担消除稳态变化过程的控制偏差，依据控制器将来的稳态输出值，结合比例和积分控制作用，快速消除控制偏差，提高控制精度；协同控制单元则是根据控制系统的运行状态，负责协调辨识控制单元、动态控制单元和稳态控制单元的工作状态，形成最终控制输出信号。以下就有关“比较环节”、“辨识控制单元”、“动态控制单元”、“稳态控制单元”和 “协同控制单元”及其算法作进一步的阐述一、比较环节及其算法比较环节主要完成工艺设定值和反馈信号的比较，起产生控制偏差的作用。令 SP (t)表示工艺设定值，b(t)表示反馈信号，e(t)表示控制偏差，则有e(t) = sp(t)-b(t)(1)二、辨识控制单元及其算法辨识控制单元主要辨识被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间等模型参数。对于大多数的化学工艺控制系统，其被控对象的工艺模型均可以在其工作点附近一定范围内线性化，并用传递函数
权利要求
1.一种嵌入式非线性脉冲协同控制器，其特征是，构成嵌入式非线性脉冲协同控制器的控制算法模块，包括起产生控制偏差作用的比较环节；通过阶跃响应，辨识被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间的辨识控制单元；承担动态变化过程的控制调节任务，利用快速调节脉冲输出，减少控制系统的上升时间和降低控制系统的超调量，并使工艺变量快速接近稳态值的动态控制单元；承担消除稳态变化过程的控制偏差，依据控制器将来的稳态输出值，结合比例和积分控制作用，快速消除控制偏差，提高控制精度的稳态控制单元； 根据控制系统的运行状态，负责协调辨识控制单元、动态控制单元和稳态控制单元的工作状态，形成最终控制输出信号的协同控制单元。
2.如权利要求1所述的嵌入式非线性脉冲协同控制器，其特征是，(1)所述的比较环节算法令sp(t)表示工艺设定值，b(t)表示反馈信号，e(t)表示控制偏差，则有 e(t) = sp(t)-b(t)(1)(2)所述的辨识控制单元算法设控制系统的被控对象，在其工作点的线性化工艺模型的传递函数为
3.如权利要求1、2所述的嵌入式非线性脉冲协同控制器，其特征是，所述的动态控制单元和稳态控制单元，独立进行参数调整(1)根据工艺变量的动态变化过程的上升速度和超调量大小，调整α或td;如果超调量过大或上升速度过快，则减少α或td;反之，则增大α或td;(2)根据工艺变量的稳态过程变化情况，调整比例系数~和积分系数Ki；如果趋向稳定状态的速度较慢，则增加比例系数Kp ；反之，则减小比例系数Kp ；如果控制精度较低，则增大积分系数Ki ；如果产生稳态振荡，则减小积分系数Ki ；(3)其它控制参数Tup，Td_，在规定数值范围内选取。
4.如权利要求1所述的嵌入式非线性脉冲协同控制器，其特征是，构成嵌入式非线性脉冲协同控制器的控制算法模块还包括输出阶跃信号(101)、系统输出是否稳定(102)、 模型参数计算(103)、采样偏差计算(104)、动态过程是否结束(105)、稳态控制计算(106)、 协同控制输出(107)、控制是否完成(108)、动态控制计算(109)的步骤。
5.如权利要求1所述的嵌入式非线性脉冲协同控制器，包括AD转换电路(26)、程序存储器(20)、数据存储器(21)、存储接口电路(22)、DA转换电路(23)、中央处理器CPU(24)和外围设备接口电路(25)以电信号连接方式组成，其特征是，嵌入式非线性脉冲协同控制器的控制算法模块(19)，包括产生控制偏差的比较环节(2)；通过阶跃响应，辨识被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间的辨识控制单元(4)；承担动态变化过程的控制调节任务，利用快速调节脉冲输出，减少控制系统的上升时间和降低控制系统的超调量，并使工艺变量快速接近稳态值的动态控制单元(6)；承担消除稳态变化过程的控制偏差，根据控制器将来的稳态输出值，结合比例和积分控制作用，快速消除控制偏差，提高控制精度的稳态控制单元(18)；根据控制系统的运行状态，负责协调辨识控制单元(4)、动态控制单元(6) 和稳态控制单元(18)的工作状态，形成最终控制输出信号的协同控制单元(14)；其中，硬件部分主要包括主机和外围接口两大部分1)主机包括采用FLASH闪存，作为程序和控制参数存储器，存储协同控制器的控制算法软件、操作系统、通讯软件、WEB远程访问软件和输入/输出接口软件的程序存储器(20)；采用SDRAM作为计算机内部存储器，提供系统运行的内部数据交换场所的数据存储器 (21)；用作提供中央处理器CPU(24)与程序存储器(20)和数据存储器(21)之间的数据访问接口电路的存储接口电路(22)；采用32位，主频300MHZ，ARM9系列芯片负责控制器各组成部分协调工作的作为控制核心的中央处理器CPU(24)； 采用外界提供电源方式； 2)外围接口 主要提供4-20mA电流输入接口、1-5VDC电压输入接口和与中央处理器CPU (24)以电信号相连的接口电路的AD转换电路(26)；主要提供4-20mA电流输出接口、1-5VDC电压输出接口和与中央处理器CPU (24)以电信号相连的接口电路的DA转换电路(23)；主要提供标准的USB、VGA、RJ45、RS232、RS485接口和与中央处理器CPU(24)以电信号相连的接口电路的外围设备接口电路(25)；所述的嵌入式协同智能控制器软件部分，主要包括嵌入式非线性脉冲协同控制器控制算法模块软件、操作系统、通讯软件、WEB远程访问软件和输入/输出接口软件；其中，1)嵌入式非线性脉冲协同控制器的控制算法模块软件 按照本发明协同控制器的算法原理，采用嵌入式C++语言开发；2)操作系统采用与Windows应用程序兼容的嵌入式操作系统，如Win CE ；3)通讯软件采用提供TCP/IP协议、RS232或485协议的支持软件；4)TOB远程访问软件用于完成远程访问、通讯、操作功能；5)输入/输出接口软件用于完成模拟信号或数字信号的输入/输出。
全文摘要
本发明嵌入式非线性脉冲协同控制器，具体指一种具有动态过程和稳态过程相对独立调节的嵌入式非线性脉冲协同控制器，涉及智能控制技术领域。本发明的控制算法模块，包括起产生控制偏差作用的比较环节；辨识被控对象的放大增益、时间常数和纯滞后时间等模型参数的辨识控制单元；承担动态变化过程控制调节任务，使工艺变量快速接近稳态值的动态控制单元；承担消除稳态变化过程的控制偏差，依据控制器将来的稳态输出值，结合比例和积分控制作用，提高控制精度的稳态控制单元；根据控制系统运行状态，协调辨识控制单元、动态控制单元和稳态控制单元工作状态，形成最终控制输出信号的协同控制单元。具有结构简单，快速性、鲁棒性和抗干扰性较好的特点。
文档编号G05B13/04GK102323750SQ20111014721
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者刘宝, 王君红 申请人:中国石油大学(华东)